Патент на изобретение №2360030

(54) СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления баллонов, корпусов, обтекателей, обшивки, оболочек, днищ. Для повышения уровня трещиностойкости при одновременном повышении предела прочности и повышения допустимой степени деформации термомеханическую обработку сплава проводят в десять стадий. На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 60-90%, на второй стадии – нагрев до температуры (Т_пп+70÷Т_пп+200)°С, деформацию со степенью 50-70%, на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-40%, на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 30-60%, на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-50%, на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 40-70%, на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 30-70%, на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-70÷Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 40-90%, на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-220)°С, деформацию со степенью 30-70%, повторяют четыре раза, на десятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-270)°С, деформацию со степенью 2-10%, где Т_пп – температура полиморфного превращения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления баллонов, корпусов, обтекателей, обшивки, оболочек, днищ.

Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий:

– нагрев до температуры (1050-1200)°С (Т_пп+120÷Т_пп+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Т_пп – 80)°С;

– нагрев до температуры (880-1050)°С (Т_пп-50÷Т_пп+120)°С, охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Т_пп – 180)°С, где Т_пп=920°С (Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. «Полуфабрикаты из титановых сплавов». М., ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371).

Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий нагрев в -области выше температуры полиморфного превращения, деформацию в процессе охлаждения до температуры на (30-70)°С ниже температуры полиморфного превращения, охлаждение, повторный нагрев в двухфазной области, повторную деформацию в этой области в процессе охлаждения, повторное охлаждение, окончательный нагрев в двухфазную область, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в – и (+)-областях с одинаковой степенью (40-60)%, повторный нагрев осуществляют до температуры на (20-40)° ниже температуры полиморфного превращения, повторную деформацию проводят со степенью (25-35)% при охлаждении до температуры на (100-130)°С ниже температуры полиморфного превращения, повторное охлаждение после деформации осуществляют до температуры на (180-280)°С ниже температуры полиморфного превращения, после чего дополнительно повторяют последний цикл нагрева и деформации в процессе охлаждения в тех же условиях, а охлаждение после деформации в этом цикле проводят до комнатной температуры, окончательный нагрев осуществляют до температуры на (100-300)°С ниже температуры полиморфного превращения (а.с. СССР 1740487).

Недостатком известных способов является низкий уровень трещиностойкости при пониженном пределе прочности, пониженная технологическая пластичность при деформации титановых сплавов, обработанных данными способами.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому является способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию в процессе охлаждения до температуры ниже температуры полиморфного превращения, в котором термомеханическую обработку проводят в шесть стадий, при этом на первых пяти стадиях осуществляют:

– нагрев до температуры (T_пп+120÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 50-70% при охлаждении до (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С;

– нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+160)°С, деформацию со степенью 40-60% при охлаждении до (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С;

– нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 10-30% при охлаждении до (Т_пп-140÷Т_пп-160)°С;

– нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 40-60% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

– нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_ПП+50)°С, деформацию со степенью 30-70% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

затем на шестой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-400÷Т_пп-500)°С с выдержкой в течение (5-20) ч, где Т_пп – температура полиморфного превращения (патент РФ 2219280).

Титановые сплавы, обработанные данным способом, имеют пониженные характеристики трещиностойкости, предела прочности и технологической пластичности при обработке давлением.

Технической задачей изобретения является повышение уровня трещиностойкости

(К_С^усл) при одновременном повышении предела прочности (_В) и повышение допустимой степени деформации ().

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложены способы термомеханической обработки титановых сплавов, включающие многократный нагрев до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию, в которых термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом:

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 60-90%;

на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+70÷Т_пп+200)°С, деформацию со степенью 50-70%;

на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-40%;

на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 30-60%;

на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-50%;

на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 40-70%;

на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 30-70%;

на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-70÷Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 40-90%;

на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-220)°С, деформацию со степенью 30-70%, повторяют четыре раза;

на десятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-270)°С, деформацию со степенью 2-10%, где Т_пп – температура полиморфного превращения.

После десятой стадии может проводится старение при температуре (Т_пп-320÷T_пп-520)°С с выдержкой 2-10 часов, или перед старением может проводиться закалка при температуре (Т_пп-120÷Т_пп-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе.

В результате проведения термомеханической обработки в десять стадий при изготовлении листов, в том числе тонких, достигается высокое качество как по состоянию поверхности, так и по созданию сверхмелкозернистой структуры с нанодисперсными упрочняющими частицами -фазы в -матрице.

Создание однородного структурно-фазового состояния и гомогенного химического состава на первых семи стадиях при изготовлении сляба и получении сверхмелкозернистой структуры с восьмой по десятую стадиях прокатки листов обеспечивает получение высокой технологической пластичности и сочетания высокой трещиностойкости при высокой прочности.

Примеры осуществления

Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23Л и ВТ19-1, обработанные предлагаемым способом (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.

Пример 1

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+170)°С, деформацию со степенью 60%;

на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 50%;

на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20%;

на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию со степенью 30%;

на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20%;

на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию со степенью 40%;

на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 30%;

на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-70)°С, деформацию со степенью 40%;

на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-170)°С, деформацию со степенью 30%, повторяют четыре раза;

на десятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-170)°С, деформацию со степенью 2%.

Пример 2

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 90%;

на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+200)°С, деформацию со степенью 70%;

на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 40%;

на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 60%;

на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 50%;

на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 70%;

на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 70%;

на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 90%;

на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-220)°С, деформацию со степенью 70%, повторяют четыре раза;

на десятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-270)°С, деформацию со степенью 10%;

затем – старение при температуре (Т_пп-420)°С с выдержкой 6 часов.

Пример 3

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+220)°С, деформацию со степенью 70%;

на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформацию со степенью 60%;

на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 30%;

на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+40)°С, деформацию со степенью 50%;

на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 40%;

на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+40)°С, деформацию со степенью 60%;

на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 50%;

на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-10)°С, деформацию со степенью 70%;

на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-200)°С, деформацию со степенью 50%, повторяют четыре раза;

на десятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-230)°С, деформацию со степенью 5%;

затем проводят закалку при температуре (Т_пп-170)°С с охлаждением в воде или на воздухе и старение при температуре (Т_пп-420)°С с выдержкой 6 часов.

В таблице представлены механические свойства титановых сплавов, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу.

Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволит повысить уровень трещиностойкости (К_С^усл) на 30% при одновременном повышении предела прочности (_В) на 25% и повысить допустимую степень деформации () на 100%.

Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу конструкций на 25%, повысить их надежность работы, повысить технологичность изготовления.

Таблица
Способ	ВТ23Л (Тпп=920°С)	ВТ 19-1 (Тпп=780°С)
В (МПа)	КСусл (МПа·м1/2)	(%)	В (МПа)	КСусл (МПа·м1/2)	(%)
1	1520	170	75	1450	130	85
2	1550	160	70	1480	121	75
3	1530	164	72	1470	117	77
4	1200	ПО	30	1150	90	40

Формула изобретения

1. Способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения и деформации, отличающийся тем, что термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 60-90%, на второй стадии – нагрев до температуры (Т_пп+70÷Т_пп+200)°С, деформацию со степенью 50-70%, на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-40%, на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 30-60%, на пятой стадии – нагрев до температуры
(Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-50%, на шестой стадии – нагрев до температуры
(Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 40-70%, на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 30-70%, на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-70÷Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 40-90%, на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-220)°С, деформацию со степенью 30-70%, повторяют четыре раза, на десятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-270)°С, деформацию со степенью 2-10%, где Т_пп – температура полиморфного превращения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после десятой стадии проводят старение при температуре (Т_пп-320÷Т_пп-520)°С с выдержкой 2-10 ч.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что перед старением проводят закалку с температуры (Т_пп-120÷Т_пп-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе.